كاشفات الإيماض: الكاشفات غير العضوية

تستخدم هنا الوامضات غير العضوية في صورة بلورة تعتبر أهم جزء في الكاشف. وتوجد العديد من هذه البلورات حسب الحاجة وتصميم الكاشف. ولفهم نظرية عمل هذه الأجهزة لا بد من العودة إلى الترتيب البنائي للمادة. يبين الشكل (1) التركيب الحزامي للمواد المختلفة وذلك من وجهة نظر توصيلها للكهرباء.

الشكل (1)

حيث تنقسم المواد إلى ثلاثة أقسام رئيسية وهي: مواد موصلة وأخرى عازلة وبينهما مواد شبه موصله أو أشباه الموصلات Semicenductors. وقد تم هذا التقسيم بناءاً على التركيب الإلكتروني للمادة. توجد الإلكترونات في الذرة المنفردة في مدارات ثابتة كل له طاقة ترابط معينة. أما عندما تقترب الذرات من بعضها البعض لتكوين بلورة من مادة صلبة فإن طاقة وضع الإلكترونات تأخذ قيماً مستمرة معينة وذلك على صورة أحزمة للطاقة معينة. وهناك ثلاثة أحزمة: أدناها هو حزام التساهم Valence Band حيث توجد فيه الإلكترونات مقيدة إلى شبكة Lattice معينة وهو حزام مملوء بالإلكترونات غالباً. والحزام الثاني للطاقة هو حزام التوصيل Conduction Band توجه به الإلكترونات الحرة الحركة. وفيما بين هاذين الحزامين توجد منطقة الثغرة الممنوعة Forbidden Gap لا يمكن أن يوجد بها أي الكترون. يعتمد التوصيل على الكهرباء ومن ثم تقسيم المواد السابق على اتساع أو سمك هذه الثغرة. ففي حالة الموصلات. نجد أن الثغرة الممنوعة غير موجودة بل ويحدث تداخل فيما بين حزامي التوصيل والتساهم وبالتالي توجد الكترونات حرة دائماً في مثل هذع الموصلات ومن ثم فهي جيدة التوصيل للكهرباء أما المواد العازلة فسمك الثغرة بها أكبر من 5 أ. ف. وبالتالي لا يوجد الكترونات حرة في حزام التوصيل في الظروف العادية. ولجعل هذه المواد موصلة للكهرباء فلا بد من إثارة الإلكترونات من حزام التساهم إلى حزام التوصيل ويتم ذلك بإعطائها طاقة تساوي طاقة الثغرة على الأقل كي تتمكن من اجتيازها إلى حزام التوصيل.

أما أشباه الموصلات فسمك الثغرة بها يبلغ حوالي 1. أ.ف ومن ثم يمكن إثارة الإلكترونات من حزام التساهم إلى حزام التوصيل عند توافر شروط معينة. وبالتالي فهذه المواد هي أشباه موصلات. لنفترض الآن أن إشعاعاً سقط على مادة عازلة فإذا كانت طاقته كافية فسوف يرتفع الإلكترون من حزام التساهم إلى حزام التوصيل تاركاً خلفه ثقباً (hole) في حزام التساهم. ثم يمكن بعد ذلك للإلكترون أن يرجع إلى موضعه وهو عندما يفعل ذلك فلا بد أن ينطلق فرق الطاقة (سمك الثغرة) على شكل فوتون ذي طول موجي معين. ولجعل هذا الفوتون مرئياً ينبغي إضافة مادة شائبة بكمية محسوبة إلى المادة بحيث تقع مستويات الطاقة لها داخل المنطقة الممنوعة للمادة الأصلية وتسمى هذه المواد بالمنشطات Activators. وبالتالي فالإلكترون عندما يرتفع إلى حزام التوصيل سيعود بعد ذلك إلى حزام التساهم ولكنه الآن سيمر أولا بمستويات طاقة المنشط التي تختار بحيث تقع قريباً من حزام التوصيل في المادة وبالتالي شع فرق الطاقة الأصغر نسبياً من سابقه ويقع الفوتون في المدى المنظور للضوء. ويقع عمر النصف لمثل هذه المستويات في حدود ^7-10 ثانية وبالتالي يحدد زمن التحلل لهذه المستويات الخواص الزمنية للضوء الناتج ومن ثم الاستجابة الزمنية للكاشف. وهناك العديد من هذه الوامضات ولكننا سنشرح واحداً فقط منها وهو كاشف بلورة يوديد الصوديوم (ثاليوم) (Tℓ) NaI :

تتمتع هذه البلورات بقدرة كبيرة على تحويل الإشعاع إلى ضوء وهي هنا تتفوق على أية مادة وامضة عند تعرضها للإلكترونات الابتدائية أو الثانوية. كما وأنها تتمتع باستجابة خطية للإلكترونات ولأشعة γ ولمدى كبير من الطاقات. كما وتعتبر مادة عيارية بالنسبة للقياسات الطيفية لأشعة γ. ويمكن تحضير هذه البلورات على هيئة اشكال عدة وبحجوم مختلفة. أما عيبها الوحيد فيتمثل في بطء النبضات الناتجة عنها بالمقارنة مع بلورات البلاستيك. إذ يبلغ زمن تحلل النبضات الناتجة عنها حوالي 250 ثانو ثانية. يضاف الثاليوم للبلورة حيث يعتبر منشطاً مناسباً وأيضاً لزيادة احتمال التفاعل الكهروضوئي الذي يتناسب مع Z⁴ تقريباً.

ويتركب كاشف يودي د الصوديوم من أجزاء رئيسية ثلاثة وهي : البلورة وأنبوبة التضاعف الضوئي وقاعدة الأنبوبة. يبين الشكل (2) تركيب بلورة وامض يوديد الصوديوم المنشط. فعندما يسقط الإشعاع على البلورة تنتقل طاقته إلى الكترون في حزام التساهم حيث يرتفع إلى حزام التوصيل تاركاً خلفه فراغاً

الشكل (2)

(ثقبا) وبالتالي ينتج لدينا الزوج الإلكتروني (الكترون - ثقب) Electron - hole. وعندما يعود الإلكترون إلى حزام التساهم يتم ذلك عبر مستويات الإثارة في المنشط ومن ثم فإن فوتون مرئي سوف ينطلق من البلورة (أنظر الشكل 1). حيث يسقط هذا الضوء على مهبط ضوئي Photocathode يمثل العنصر الأول في الجزء الثاني من الكاشف الا وهو أنبوبة التضاعف الضوئي Photomultiplier tube. يبين الشكل (3) تركيب كاشف يوديد الصوديوم (ثاليوم). حيث

الشكل (3)

نبين البلورة وأنبوبة التضاعف الضوئي ومخارج ومداخل قاعدة الأنبوبة. يحيط بالبلورة عاكس مناسب يتكون من علبة من الألمنيوم يطلى سطحها الداخلي بأكسيد المغنيسيوم كي يسهل انعكاس الضوء الساقط عليه وبذلك يتركز معظم الضوء الناتج على المهبط الضوئي. عند سقوط الضوء على هذا المهبط تنتج الكترونات ضوئية Photoelectrons. وتختار مادة المهبط بحيث يكون جهد تشغيلها Work Function صغيراً وذلك كي يتمكن الضوء الساقط عليها من تحرير الإلكترونات منها بسهولة، ومن المواد المناسبة لذلك تلك المحتوية على السيزيوم مثل سيزيوم - أنتيمون Sb - CS وغيرها. تعتبر الإلكترونات الضوئية العنصر الفعال لباقي التفاعل. إذ تعجل هذه الإلكترونات نحو الدانيود الأول وهو الكترود يوضع عليه جهد موجب مناسب (يتراوح بين 50 - 250 فولت) وعند سقوط الإلكترون على هذا الدانيود ينتج الكترونين أو أكثر ثم تسرع هذه الإلكترونات الجديدة والتي تسمى بالإلكترونات الثانوية (أنظر الشكل) نحو الداينود الثاني الذي يزيد جهده عن جهد الداينود الأول. . . وعندما تسقط الإلكترونات الثانوية على الداينود الثاني ينتج عن كل الكترون الكترونين آخرين أو أكثر.. . تتعجل نحو الداينود الثالث. . . وهكذا. . . وينتج عما سبق تضاعف لعدد الإلكترونات فإذا ما استخدمت عشرة الدينودات فإن التكبير الإلكتروني يصل إلى حوالي 10⁶ . وفي نهاية الأمر تتجمع هذه الإلكترونات عند المصعد الذي يؤثر عليه الجهد العالي الموجب الذي يوضع على الجهاز. يمكن أن يصل عدد الإلكترونات المتجمعة عند المصعد ما بين 10⁷ - 10¹⁰  الكترون.

وهكذا نجد أننا بدأنا بإلكترون واحد ناتج من المهبط الضوئي وانتهينا إلى حوالي 10¹⁰ الكترون عند المصعد. ولذلك يطلق على هذا الجزء من الكاشف: أنبوبة التضاعف الضوئي نظراً لتضاعف عدد الإلكترونات الضوئية فيها.

يستخدم موزع جهد عبارة عن سلسلة من المقامات مقرونة إلى مجموعة من المكثفات (التي تعمل على استقرار أداء الأنبوبة) وذلك لزيادة الجهد بانتظام على الداينودات المختلفة بدءاً بأقرب دانيود إلى المهبط الضوئي وانتهاء بالمصعد. وتشكل هذه المقاومات والمكثفات قاعدة الأنبوبة. يبين الشكل (4) تركيب قاعدة الأنبوبة وموزع الجهد كما وتضم قاعدة الأنبوبة مدخل الجهد العالي ومخرجين أحدهما خرج المصعد حيث تنتج نبضات سريعة سالبة تستخدم لتجارب التطابق الزمني وقياسات أعمار النصف للمستويات النووية. أما المخرج الآخر فيمثل مخرج احد الدانيودات وهو نبضة موجبة بطيئة تستخدم سياسات الطيفية للطاقة.

الشكل (4)

يبين الشكل (5) في الباب العاشر طيف طاقة السيزيوم - 137 كما يسجله كاشف يوديد الصوديوم (ثاليوم). حيث نبين وجود قمة الطاقة الكاملة عندما يتم امتصاص طاقة أشعة γ. الناتجة من السيزيوم امتصاصاً كاملاً في البلورة والتي تساوي 0.662 م. أ.ف. كما يبين الشكل توزيع كمبتون وحافة كمبتون والتشتت الخلفي.

الشكل (5)

تبين عملياً أن شتت كمبتون كما تسجله بلورة يوديد الصوديوم يعتمد على حجم البلورة ويبين الشكل (6) اعتماد هذا التوزيع على حجم البلورة.

الشكل (6)

حيث نجد أنه عندما تكون إبعاد البلورة 3×3 بوصة فإن توزيع كمبتون يجل أدنى قيمة له ويزداد كلما تناقصت هذه الأبعاد.